Η αντικατάσταση αυτοκινήτων με αέριο που εκπέμπουν άνθρακα με EV απαιτεί μείωση της πριμοδότησης τιμής EV και αυτό εξαρτάται από ένα πράγμα: το κόστος της μπαταρίας. Westend61 μέσω Getty Images

Πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων έχουν αυξηθεί εκθετικά τα τελευταία χρόνια, συνοδευόμενες από πτώση των τιμών. Ωστόσο, η υιοθέτηση των EV παραμένει περιορισμένη από αυτές υψηλότερη τιμή αυτοκόλλητου σε σχέση με τα συγκρίσιμα οχήματα φυσικού αερίου, ακόμη και το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας για EV είναι χαμηλότερο.

Τα οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης και κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι πιθανό να φτάσουν την ισοτιμία των τιμών αυτοκόλλητων κάποτε την επόμενη δεκαετία. Ο χρόνος εξαρτάται από έναν κρίσιμο παράγοντα: το κόστος της μπαταρίας. Η μπαταρία ενός EV αντιπροσωπεύει περίπου το ένα τέταρτο του συνολικού κόστους οχήματος, καθιστώντας τον τον πιο σημαντικό παράγοντα στην τιμή πώλησης.

Οι τιμές της μπαταρίας μειώθηκαν γρήγορα. Μια τυπική μπαταρία EV αποθηκεύει 10-100 κιλοβατώρες (kWh) ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, το Mitsubishi i-MIEV έχει χωρητικότητα μπαταρίας 16 kWh και εύρος 62 μιλίων, και το μοντέλο S Tesla έχει χωρητικότητα μπαταρίας 100 kWh και εύρος 400 μιλίων. Το 2010, η τιμή μιας μπαταρίας EV ήταν πάνω από 1,000 $ ανά kWh. Αυτό έπεσε στο 150 $ ανά kWh το 2019. Η πρόκληση για την αυτοκινητοβιομηχανία είναι να βρει πώς να μειώσει περαιτέρω το κόστος.

Η Στόχος του Υπουργείου Ενέργειας για τον κλάδο είναι η μείωση της τιμής των μπαταριών σε λιγότερο από 100 $ / kWh και τελικά σε περίπου $ 80 / kWh. Σε αυτά τα σημεία τιμών της μπαταρίας, η τιμή αυτοκόλλητου ενός EV είναι πιθανό να είναι χαμηλότερη από εκείνη ενός συγκρίσιμου οχήματος με κινητήρα καύσης.

Η πρόβλεψη πότε θα πραγματοποιηθεί αυτή η διασταύρωση τιμών απαιτεί μοντέλα που αντιστοιχούν στις μεταβλητές κόστους: σχεδιασμός, υλικά, εργασία, παραγωγική ικανότητα και ζήτηση. Αυτά τα μοντέλα δείχνουν επίσης πού οι ερευνητές και οι κατασκευαστές εστιάζουν τις προσπάθειές τους στη μείωση του κόστους της μπαταρίας. Η ομάδα μας στο Carnegie Mellon University έχει αναπτύξει ένα μοντέλο κόστους μπαταρίας που καλύπτει όλες τις πτυχές της κατασκευής μπαταριών EV.

Από κάτω προς τα πάνω

Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση του κόστους της μπαταρίας ταξινομούνται είτε ως «από πάνω προς τα κάτω» είτε ως «από κάτω προς τα πάνω». Τα μοντέλα από πάνω προς τα κάτω προβλέπουν το κόστος με βάση κυρίως τη ζήτηση και το χρόνο. Ένα δημοφιλές μοντέλο από πάνω προς τα κάτω που μπορεί πρόβλεψη κόστους μπαταρίας είναι ο νόμος του Ράιτ, ο οποίος προβλέπει ότι το κόστος μειώνεται καθώς παράγονται περισσότερες μονάδες. Οι οικονομίες κλίμακας και η εμπειρία που αποκτά μια βιομηχανία με την πάροδο του χρόνου μειώνουν το κόστος.

Ο νόμος του Ράιτ είναι γενικός. Δουλεύει σε όλες τις τεχνολογίες, γεγονός που καθιστά δυνατή την πρόβλεψη μείωση του κόστους της μπαταρίας με βάση τη μείωση του κόστους των ηλιακών συλλεκτών. Ωστόσο, ο νόμος του Wright - όπως και άλλα μοντέλα από πάνω προς τα κάτω - δεν επιτρέπει την ανάλυση των πηγών της μείωσης του κόστους. Για αυτό, απαιτείται ένα μοντέλο από κάτω προς τα πάνω.

Η μπαταρία, το μεγάλο γκρίζο μπλοκ που γεμίζει το σασί σε αυτό το διάγραμμα ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου, συμβάλλει στο μέγιστο από οποιοδήποτε στοιχείο στην τιμή ενός EV. Sven Loeffler / iStock μέσω Getty Images

Για να δημιουργήσετε ένα μοντέλο κόστους από κάτω προς τα πάνω, είναι σημαντικό να κατανοήσετε τι συμβαίνει με την παραγωγή μπαταρίας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται από ένα θετικό ηλεκτρόδιο, την κάθοδο, ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο, την άνοδο και έναν ηλεκτρολύτη, καθώς και βοηθητικά εξαρτήματα όπως ακροδέκτες και περίβλημα.

Κάθε συστατικό έχει ένα κόστος που σχετίζεται με τα υλικά, την κατασκευή, τη συναρμολόγηση, τα έξοδα που σχετίζονται με τη συντήρηση του εργοστασίου και τα γενικά έξοδα. Για EV, οι μπαταρίες πρέπει επίσης να ενσωματωθούν σε μικρές ομάδες κυψελών ή μονάδες, οι οποίες στη συνέχεια συνδυάζονται σε πακέτα.

Τα ανοιχτού κώδικα, μοντέλο κόστους μπαταρίας από κάτω προς τα πάνω ακολουθεί την ίδια δομή με την ίδια τη διαδικασία κατασκευής της μπαταρίας. Το μοντέλο χρησιμοποιεί εισόδους στη διαδικασία κατασκευής μπαταριών ως εισόδους στο μοντέλο, συμπεριλαμβανομένων προδιαγραφών σχεδιασμού μπαταρίας, τιμών εμπορευμάτων και εργασίας, κεφαλαιακές επενδυτικές απαιτήσεις όπως εργοστάσια και εξοπλισμός κατασκευής, γενικά ποσοστά και όγκος παραγωγής για να ληφθούν υπόψη οικονομίες κλίμακας. Χρησιμοποιεί αυτές τις εισροές για να υπολογίσει το κόστος κατασκευής, το κόστος υλικού και τα γενικά έξοδα και αυτά τα κόστη αθροίζονται για να φτάσουν στο τελικό κόστος.

Ευκαιρίες μείωσης κόστους

Χρησιμοποιώντας το μοντέλο κόστους από κάτω προς τα πάνω, μπορούμε να αναλύσουμε τις συνεισφορές κάθε μέρους της μπαταρίας στο συνολικό κόστος της μπαταρίας και να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες για να αναλύσουμε τον αντίκτυπο των καινοτομιών της μπαταρίας στο κόστος EV. Τα υλικά αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του συνολικού κόστους της μπαταρίας, περίπου 50%. Η κάθοδος αντιπροσωπεύει περίπου το 43% του κόστους των υλικών, και τα άλλα υλικά κυψελών αντιπροσωπεύουν περίπου το 36%.

Οι βελτιώσεις στα υλικά καθόδου είναι οι πιο σημαντικές καινοτομίες, επειδή η κάθοδος είναι το μεγαλύτερο συστατικό του κόστους της μπαταρίας. Αυτό οδηγεί δυνατά ενδιαφέρον για τις τιμές των εμπορευμάτων.

Τα πιο συνηθισμένα υλικά καθόδου για ηλεκτρικά οχήματα είναι το οξείδιο αργιλίου κοβαλτίου νικελίου χρησιμοποιείται σε οχήματα Tesla, οξείδιο κοβαλτίου νικελίου μαγγανίου που χρησιμοποιείται σε τα περισσότερα άλλα ηλεκτρικά οχήματακαι φωσφορικό σίδηρο λιθίου χρησιμοποιείται στα περισσότερα ηλεκτρικά λεωφορεία.

Το οξείδιο αργιλίου κοβαλτίου νικελίου έχει το χαμηλότερο κόστος ανά ενέργεια-ενέργεια και την υψηλότερη ενέργεια ανά μονάδα-μάζα, ή συγκεκριμένη ενέργεια, από αυτά τα τρία υλικά. Το χαμηλό κόστος ανά μονάδα ενέργειας προκύπτει από υψηλή ειδική ενέργεια, επειδή απαιτούνται λιγότερα κύτταρα για την κατασκευή μιας μπαταρίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος για άλλα υλικά κυψελών. Το κοβάλτιο είναι το πιο ακριβό υλικό στην κάθοδο, επομένως οι συνθέσεις αυτών των υλικών με λιγότερο κοβάλτιο συνήθως οδηγούν σε φθηνότερες μπαταρίες.

Τα ανενεργά υλικά κυψελών όπως οι καρτέλες και τα δοχεία αντιπροσωπεύουν περίπου το 36% του συνολικού κόστους υλικών κυψελών. Αυτά τα άλλα υλικά κυττάρων δεν προσθέτουν ενεργειακό περιεχόμενο στην μπαταρία. Επομένως, η μείωση ανενεργών υλικών μειώνει το βάρος και το μέγεθος των κυψελών μπαταρίας χωρίς να μειώνεται το ενεργειακό περιεχόμενο. Αυτό οδηγεί το ενδιαφέρον για τη βελτίωση του σχεδιασμού των κυττάρων με καινοτομίες όπως μπαταρίες χωρίς καρτέλα όπως αυτά που πειράχτηκαν από την Tesla.

Το κόστος της μπαταρίας μειώνεται επίσης σημαντικά με την αύξηση του αριθμού των κυψελών που παράγουν κάθε χρόνο. Όπως περισσότερα εργοστάσια μπαταριών EV συνδέσου, οι οικονομίες κλίμακας και η περαιτέρω βελτίωση της κατασκευής και του σχεδιασμού της μπαταρίας θα πρέπει να οδηγήσουν σε περαιτέρω μείωση του κόστους.

Δρόμος προς τιμή-ισοτιμία

Η πρόβλεψη ενός χρονοδιαγράμματος για ισοτιμία τιμών με οχήματα ICE απαιτεί πρόβλεψη μελλοντικής πορείας του κόστους της μπαταρίας. Εκτιμούμε ότι η μείωση του κόστους των πρώτων υλών, οι βελτιώσεις στην απόδοση και η μάθηση από την παραγωγή μαζί είναι πιθανό να οδηγήσουν σε μπαταρίες με κόστος συσκευασίας κάτω των 80 $ / kWh έως το 2025.

Υποθέτοντας ότι οι μπαταρίες αντιπροσωπεύουν το ένα τέταρτο του κόστους EV, μια μπαταρία 100 kWh στα 75 $ ανά κιλοβατώρα αποδίδει κόστος περίπου 30,000 $. Αυτό θα οδηγήσει σε τιμές αυτοκόλλητων EV που είναι χαμηλότερες από τις τιμές αυτοκόλλητων για συγκρίσιμα μοντέλα αυτοκινήτων με αέριο.

Σχετικά με τους συγγραφείς

Venkat Viswanathan, Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Υποψήφιος Μηχανολόγος Μηχανικός, Carnegie Mellon University, και Shashank Sripad, Ph.D. Υποψήφιος Μηχανολόγος Μηχανικός, Carnegie Mellon University

Ο Abhinav Misalkar συνέβαλε σε αυτό το άρθρο ενώ ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.